MACIERZE DYSKOWE

Wstęp

Macierze dyskowe powstały z myślą o zabezpieczeniu danych przed skutkami awarii dysków, a także zwiększeniu transferu między serwerami a dyskami. Dzisiejsze rozwiązania techniczne umożliwiają wymianę wadliwych dysków bez konieczności wyłączania całego urządzenia. 

Pracę nad projektem macierzy podjęto na Uniwersytecie w Berkeley w 1987 roku.  Dyski miały wtedy małą pojemność, były zawodne i drogie. Rozwiązanie naukowców z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley miało pozwolić na łączenie dysków w szybkie systemy o większej pojemności i niezawodności. Od tamtego czasu parametry dysków znacznie się poprawiły, ale macierze okazały się na tyle funkcjonalne, że są wciąż wykorzystywane i stale rozwijane. 

W wyniku tych prac powstała specyfikacja architektury RAID - sześć poziomów określanych RAID.

Za obsługę macierzy odpowiedzialny jest w systemie kontroler  RAID (Redundant Array of Inexpensive/Independent Disks - nadmiarowa macierz niedrogich/niezależnych dysków) zarządzający wykorzystaniem  twardych dysków . Kontroler może pracować w różnych trybach przedstawionych poniżej. Każdy z trybów ma swoje wady i zalety. Możliwe jest także skonstruowanie macierzy RAID bez użycia kontrolerów specjalizowanych, a jedynie wykorzystując odpowiednie oprogramowanie.
 

Poziomy RAID

NRAID (Non-RAID) - jest to łączenie dysków obsługiwanych przez kontroler w jeden duży dysk logiczny o pojemności równej sumie pojemności wszystkich dysków. Dane nie są zapisywane nadmiarowo, Non-RAID nie gwarantuje więc ich bezpieczeństwa.

RAID 0 (Striping) - podział danych na bloki (najczęściej o rozmiarze 512 bajtów) pomiędzy wszystkie dyski, bez nadmiarowości. Rozwiązanie to jest proste, tanie w implementacji, nie oferuje natomiast bezpieczeństwa danych. Odczyt danych odbywa się równolegle ze wszystkich dysków, dlatego RAID 0 sprawdza się doskonale tam, gdzie potrzebna jest bardzo duża wydajność, zarówno w pracy sekwencyjnej, jak i losowej (prace graficzne, DTP, obróbka dźwięku i obrazu).

Rys.1: Architektura RAID-0

Uszkodzenie jednego z dysków macierzy całkowicie uniemożliwia poprawny odczyt informacji. Dane są bezpowrotnie tracone. 

Rys.: RAID-0, uszkodzenie dysku macierzy (uszkodzony dysk 2) 
 

RAID 1 (Mirroring) - zapis danych na dyskach połączonych w pary, dane na obu dyskach w każdej parze są identyczne. Zaletą jest wysoki poziom bezpieczeństwa, minusem - utrata połowy pojemności dysków. RAID 1 jest jedynym poziomem RAID, który może zapewnić bezpieczeństwo, wykorzystując jedynie 2 dyski, pozostałe wymagają przynajmniej trzech.

Rys.2: Architektura RAID-1

Po uszkodzeniu napędu (Dysk 2), główna role przejmuje pozostały sprawny dysk. Po usunięciu awarii (prawa strona), rozpoczyna się przekopiowywanie danych. 

Rys.: RAID-1 Rekonstrukcja danych 
 

RAID 0+1 - połączenie RAID 0 i RAID 1, łączy ich zalety (wydajność i bezpieczeństwo), ale też dziedziczy wadę RAID 1, czyli wykorzystanie połowy pojemności dyskowej. Użytkownik zyskuje więc dużą przestrzeń dyskową w jednej logicznej całości, pracującą z najwyższą wydajnością, ale przy najwyższych kosztach macierzy.

Rys.3: Architektura RAID 0+1

RAID 3 - dane są zapisywane na kilku dyskach z jednym dedykowanym dyskiem dla danych o parzystości. Wydajność macierzy jest gorsza niż w RAID 0, ale wykorzystywana jest większa część przestrzeni dyskowej niż w RAID 1. Wadą RAID 3 jest nierównomierne obciążenie dysków (dysk zapisujący informacje o parzystości jest obciążony znacznie bardziej od pozostałych).

Rys.4: Architektura RAID-3

W trakcie normalnej pracy (odczyt) dysk zawierający informacje o parzystości nie jest wykorzystywany. Odczyt z tego napędu występuje tylko i wyłącznie w przypadku błędu odczytu z któregokolwiek z pozostałych dysków macierzy. 

Rys.: RAID-3, tryb zredagowany 

W celu wyznaczenia uszkodzonego bloku należy wykonać serie odczytów pomocniczych z pozostałych, sprawnych dysków. Obniża to oczywiście wydajność całego systemu. 
 

RAID 5 - zapis danych na kilku dyskach jednocześnie, jak w RAID 3, ale z "rotacyjnym" zapisem kodów parzystości na wszystkich dyskach pracujących w macierzy. Dzięki temu dyski są równomiernie obciążone, zaś odczyt (szczególnie przy pracy losowej) odbywa się szybciej niż w RAID 3. Zaletą RAID 5 jest też bezpieczeństwo danych i efektywne wykorzystanie powierzchni nośnika, z tych powodów jest to najczęściej stosowany poziom RAID.

Rys.5: Architektura RAID-5

Literatura
Poziomy architektury RAID http://www. 
Artur Wyrzykowski: "Macierz mieć warto" PCkurier 19/1999 
http://www.pckurier.pl/archiwum/art0.asp?ID=4137
http://www.pl.tomshardware.com/storage/20021112/index.html

---